CN112307572B - 一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，包括以下步骤：步骤一、初始化参数；1.1依据人体综合感知最优误差最优原则，预设离心机各姿态轴运动控制角度补偿量(σΦ、σθ、σψ)的反馈比例系数

的基准值，

分别为前后、左右、头足方向反馈比例系数基准值；1.2初始化迭代计数n＝0或1等常数；1.3初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为0。本发明用于协调载人离心机的各轴运动，提升过载和姿态的综合模拟逼真度，从而提高训练效果。并且本方法通过实时失真量的动态分析，采用自动失真量分配调节，实现综合感知的优化，有效避免单个感知的严重失真。

Description

一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法

技术领域

本发明属于飞行模拟器技术领域，具体涉及一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法。

背景技术

飞行员在飞行中会同时承受由线运动导致的过载以及角运动引起的姿态感知，两种感知与地面运动有较大差异，会给飞行员生理、心理带来极大的考验，从而威胁飞行安全，影响任务执行效果。载人离心机是一种利用旋转运动的离心力提供过载环境的训练设备，主要用于飞行员、航天员过载耐力训练。通过载人离心机进行训练，能够高效、安全、经济的提高飞行员的抗过载能力，是各航空大国飞行员训练的必配装备。目前载人离心机目前有单轴、3轴、4轴、6轴等构型，其主要通过一个绕固定轴旋转的转臂产生离心力，然后由转臂上的其余姿态轴旋转来分解离心力和产生角运动；他们的最理想目标都是力求实现逼真的飞行过载和姿态模拟，实现地面的逼真飞行训练。

飞行员在飞机上实际飞行中会感受到3个线运动和3个角运动共6个较为独立的运动，由于载人离心机自由度的缺失以及运动范围的约束，导致载人离心机上过载和姿态是相互耦合的，无法直接模拟飞机6个自由度的运动。如在载人离心机上进行纯过载模拟时，离心机转臂必须转动起来，同时姿态轴必须转动来分解过载方向，这必然存在的角运动，将会导致姿态运动的失真；同时，当进行纯姿态模拟时，姿态轴无法在跟随飞机的姿态运动的同时正确分解转臂转动产生的离心力，由此导致过载的失真。因此，传统的载人离心机难以有效融合过载和姿态两者的综合模拟，主要用于抗其擅长的过载耐力训练。

现有过载为主目标的控制算法，由于过载模拟需要姿态轴运动调整方向，导致附加的姿态运动引起感知失真；同时控制算法并未结合过载失真与姿态感知失真进行有效调整，导致姿态感知严重失真。现有控制算法未引入人体感知模型，只是从物理量上开展过载和姿态模拟，难以判断过载和姿态的权重比例，即载人离心机控制算法的参数优化难以准确量化。

发明内容

本发明目的在于提供一种一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，用于解决上述现有技术中存在的技术问题之一，如：现有过载为主目标的控制算法，由于过载模拟需要姿态轴运动调整方向，导致附加的姿态运动引起感知失真；同时控制算法并未结合过载失真与姿态感知失真进行有效调整，导致姿态感知严重失真。现有控制算法未引入人体感知模型，只是从物理量上开展过载和姿态模拟，难以判断过载和姿态的权重比例，即载人离心机控制算法的参数优化难以准确量化。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化参数；

1.1依据人体综合感知最优误差最优原则，预设离心机各姿态轴运动控制角度补偿量(σΦ、σθ、σψ)的反馈比例系数

的基准值，

分别为前后、左右、头足方向反馈比例系数基准值；

1.2初始化迭代计数n＝0或1等常数；

1.3初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为 0；

步骤二、获取当前第n次循环计数的飞机的3个线运动参数G_a＝[G_xa G_ya G_za]，和3个角运动参数w_a＝[w_xa w_ya w_za]，它们依次为前后、左右、头足方向过载，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理确保合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_c＝[w_xc w_yc w_zc]；

步骤五、分别计算飞机上和离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_a和S_c；

步骤六、按照下式计算飞机与离心机座舱感知偏差；

式中：ΔS依次为人在飞机与离心机内的前后、左右、头足方向过载感知偏差，以及滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知偏差。

步骤七、根据人体感知模型，计算纯姿态模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ；

步骤八、计算过载和姿态综合协调模拟时，离心机姿态运动控制角度补偿量的反馈比例系数K＝(k₁,k₂,k₃)：

步骤九、根据离心机各姿态轴角度控制补偿量σΦ、σθ、σψ和补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T，计算姿态轴运动控制反馈参数，并叠加到Φ_n、θ_n、ψ_n：

步骤十、输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果 cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1)θ_(n+1) ψ_(n+1)]′给离心机运动平台；

步骤十一、判断是否停止，如果“是”则停止计算，如果“否”，则迭代计数 n＝n+1，进入步骤二。

进一步的，所述步骤三包括以下子步骤：

3.1根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置距到回转轴线的距离；

3.2依据3.1计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、 G_rc和G_vc；

3.3依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转、俯仰和偏航轴角度

进一步的，所述步骤四包括以下子步骤：

4.1建立分别从离心机滚转轴、俯仰轴和偏航轴到离心机座舱的坐标转换矩阵R₁、R₂、R₃；

4.2依据步骤二解算得到的运动角速度，按照下式计算座舱相对大地坐标系的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度。

进一步的，所述步骤五包括以下子步骤：

5.1依据人体过载和姿态运动感知模型，计算飞机上人体过载、姿态运动感知S_a；

5.2依据人体过载和姿态运动感知模型，计算离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_c；

式中：f₁(G)为人体对过载的感知模型；f₂(G，w)为人体对姿态运动的感知模型，S_G数组内数据依次为3个方向过载G_x、G_y、G_z引起的前后、左右、头足方向过载感知；S_w依次为过载和转动引起的滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知。

进一步的，所述步骤七包括以下子步骤：

7.1根据人体姿态运动感知模型

计算纯姿态感知模拟时，即飞机上姿态感知f₂(G_a，w_a)等于离心机座舱姿态感知f₂(G_c，w_c)，计算人体左右、前后方向补偿过载值σG_i(i＝1,2,3)；

式中：f₃₁(G)，f₃₂(G)，f₃₃(G)分别为G_y、G_x、G_y引起滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数；同样，f₄₁(G)，f₄₂(G)，f₄₃(G)分别为角运动w_x、w_y、w_z引起的滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数；

7.2计算纯姿态感知模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ：

进一步的，所述步骤八包括以下子步骤：

8.1计算前后、左右、头足3个方向上，过载感知误差在总感知误差的占比R，即过载误差绝对值与过载误差和姿态误差取加权求和的比值：

式中，q_i(i＝1,2,…，6)≥0；为3个过载和3个姿态的感知误差量化权重系数； r₁，r₂，r₃分别过载误差在为前后、左右、头足方向过载感知误差占比；

8.2计算过载感知误差在总感知误差的加权占比R与平衡点50％的偏差；

8.3计算补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：

本方案的一个创新点在于，本方案用于协调载人离心机的各轴运动，提升过载和姿态的综合模拟逼真度，从而提高训练效果。并且本方法通过实时失真量的动态分析，采用自动失真量分配调节，实现综合感知的优化，有效避免单个感知的严重失真。

附图说明

图1是本发明具体实施方式的流程简图。

具体实施方式

下面结合本发明的附图1，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，提出一种一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，包括以下步骤：

步骤一、初始化参数；

1.1依据人体综合感知最优误差最优原则，预设离心机各姿态轴运动控制角度补偿量(σΦ、σθ、σψ)的反馈比例系数

的基准值，

分别为前后、左右、头足方向反馈比例系数基准值；

1.2初始化迭代计数n＝0或1等常数；

1.3初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为 0；

步骤二、获取当前第n次循环计数的(模拟)飞机的3个线运动参数 G_a＝[G_xa G_yaG_za] ，和3个角运动参数w_a＝[w_xa w_ya w_za]，它们依次为前后、左右、头足方向过载(单位为g)，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理确保合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

3.1根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置距到回转轴线的距离；

3.2依据3.1计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、 G_rc和G_vc；

3.3依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转、俯仰和偏航轴角度

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系(惯性空间)的运动角速度w_c＝[w_xc w_yc w_zc]；

4.1建立分别从离心机滚转轴(滚转框)、俯仰轴(俯仰框)和偏航轴(偏航框)到离心机座舱的坐标转换矩阵R₁、R₂、R₃；

4.2依据步骤二解算得到的运动角速度，按照下式计算座舱相对大地坐标系(惯性空间)的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度。

步骤五、分别计算飞机上和离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_a和S_c；

5.1依据人体过载和姿态运动感知模型，计算飞机上人体过载、姿态运动感知S_a；

5.2依据人体过载和姿态运动感知模型，计算离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_c；

式中：f₁(G)为人体对过载的感知模型；f₂(G，w)为人体对姿态运动的感知模型，S_G数组内数据依次为3个方向过载G_x、G_y、G_z引起的前后、左右、头足方向过载感知；S_w依次为过载和转动引起的滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知。

步骤六、按照下式计算飞机与离心机座舱感知偏差；

式中：ΔS依次为人在飞机与离心机内的前后、左右、头足方向过载感知偏差，以及滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知偏差。

步骤七、根据人体感知模型，计算纯姿态模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ：

7.1根据人体姿态运动感知模型

计算纯姿态感知模拟时，即飞机上姿态感知f₂(G_a，w_a)等于离心机座舱姿态感知f₂(G_c，w_c)，计算人体左右、前后方向补偿过载值σG_i(i＝1,2,3)；

式中：f₃₁(G)，f₃₂(G)，f₃₃(G)分别为G_y、G_x、G_y引起滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数；同样，f₄₁(G)，f₄₂(G)，f₄₃(G)分别为角运动w_x、w_y、w_z引起的滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数。

7.2计算纯姿态感知模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ：

步骤八、计算过载和姿态综合协调模拟时，离心机姿态运动控制角度补偿量的反馈比例系数K＝(k₁,k₂,k₃)：

8.1计算前后、左右、头足3个方向上，过载感知误差在总感知误差的占比R，即过载误差绝对值与过载误差和姿态误差取加权求和的比值：

式中，q_i(i＝1,2,…，6)≥0；为3个过载和3个姿态的感知误差量化权重系数。 r₁，r₂，r₃分别过载误差在为前后、左右、头足方向过载感知误差占比。

8.2计算过载感知误差在总感知误差的加权占比R与平衡点50％的偏差；

8.3计算补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T。

步骤九、根据离心机各姿态轴角度控制补偿量σΦ、σθ、σψ和补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T，计算姿态轴运动控制反馈参数，并叠加到Φ_n、θ_n、ψ_n：

步骤十、输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果 cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1)θ_(n+1) ψ_(n+1)]′给离心机运动平台。

步骤十一、判断是否停止，如果“是”则停止计算，如果“否”，则迭代计数 n＝n+1，进入步骤二。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、初始化参数；

1.1依据人体综合感知最优误差最优原则，预设离心机各姿态轴运动控制角度补偿量(σΦ、σθ、σψ)的反馈比例系数

的基准值，

分别为前后、左右、头足方向反馈比例系数基准值；

1.2初始化迭代计数n＝0或1常数；

1.3初始化离心机各物理轴运动角度Φ_n、θ_n、Ψ_n及角速度dΦ_n、dθ_n、dΨ_n为0；

步骤二、获取当前第n次循环计数的飞机的3个线运动参数G_a＝[G_xa G_ya G_za]，和3个角运动参数w_a＝[w_xa w_ya w_za]，它们依次为前后、左右、头足方向过载，以及滚转、俯仰、偏航方向角速度，经数据处理确保合加速度

步骤三、解算纯过载模拟时的各轴运动角度及角速度；

步骤四、依据主轴到座舱的转动顺序，计算离心机座舱相对大地坐标系的运动角速度w_c＝[w_xc w_yc w_zc]；

步骤五、分别计算飞机上和离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_a和S_c；

步骤六、按照下式计算飞机与离心机座舱感知偏差；

式中：ΔS依次为人在飞机与离心机内的前后、左右、头足方向过载感知偏差，以及滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知偏差；

步骤七、根据人体感知模型，计算纯姿态模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ；

步骤八、计算过载和姿态综合协调模拟时，离心机姿态运动控制角度补偿量的反馈比例系数K＝(k₁,k₂,k₃)：

步骤九、根据离心机各姿态轴角度控制补偿量σΦ、σθ、σψ和补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T，计算姿态轴运动控制反馈参数，并叠加到Φ_n、θ_n、ψ_n：

步骤十、输出包含主轴转速及各姿态轴运动参数计算结果cmd＝[w_m(n+1) Φ_(n+1) θ_(n+1)ψ_(n+1)]′给离心机运动平台；

步骤十一、判断是否停止，如果“是”则停止计算，如果“否”，则迭代计数n＝n+1，进入步骤二。

2.如权利要求1所述的一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述步骤三包括以下子步骤：

3.1根据飞机加速度与重力加速度矢量合成，计算得到离心机主轴转速

式中w_m为离心机主轴转速；g为重力加速度，r为离心机有效半径，即计算过载所在位置距到回转轴线的距离；

3.2依据3.1计算得到的主轴转速，计算得到离心机转臂端头的线加速度G_tc、G_rc和G_vc；

3.3依据计算得到的离心机转臂坐标系下加速度和飞机的线加速度，计算纯过载模拟时，离心机滚转、俯仰和偏航轴角度

3.如权利要求2所述的一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述步骤四包括以下子步骤：

4.1建立分别从离心机滚转轴、俯仰轴和偏航轴到离心机座舱的坐标转换矩阵R₁、R₂、R₃；

4.2依据步骤二解算得到的运动角速度，按照下式计算座舱相对大地坐标系的运动角速度；

其中

分别滚转、俯仰和偏航轴角速度。

4.如权利要求3所述的一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述步骤五包括以下子步骤：

5.1依据人体过载和姿态运动感知模型，计算飞机上人体过载、姿态运动感知S_a；

5.2依据人体过载和姿态运动感知模型，计算离心机座舱内人体过载、姿态运动感知S_c；

式中：f₁(G)为人体对过载的感知模型；f₂(G，w)为人体对姿态运动的感知模型，S_G数组内数据依次为3个方向过载G_x、G_y、G_z引起的前后、左右、头足方向过载感知；S_w依次为过载和转动引起的滚转、俯仰、偏航3个方向的角运动速度感知。

5.如权利要求4所述的一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述步骤七包括以下子步骤：

7.1根据人体姿态运动感知模型

计算纯姿态感知模拟时，即飞机上姿态感知f₂(G_a，w_a)等于离心机座舱姿态感知f₂(G_c，w_c)，计算人体左右、前后方向补偿过载值σG_i，i＝x、y或z；

式中：f₃₁(G)，f₃₂(G)，f₃₃(G)分别为G_x、G_y、G_z引起滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数；同样，f₄₁(G)，f₄₂(G)，f₄₃(G)分别为角运动w_x、w_y、w_z引起的滚转、俯仰、偏航方向姿态运动感知的传递函数；

7.2计算纯姿态感知模拟时，离心机各姿态轴运动控制角度补偿量σΦ、σθ、σψ：

6.如权利要求5所述的一种载人离心机感知误差动态分配的过载、姿态模拟方法，其特征在于，所述步骤八包括以下子步骤：

8.1计算前后、左右、头足3个方向上，过载感知误差在总感知误差的占比R，即过载误差绝对值与过载误差和姿态误差取加权求和的比值：

式中，q_i≥0，i＝1，2，…，6；为3个过载和3个姿态的感知误差量化权重系数；r₁，r₂，r₃分别过载误差在为前后、左右、头足方向过载感知误差占比；

8.2计算过载感知误差在总感知误差的加权占比R与平衡点50％的偏差；

8.3计算补偿量反馈比例系数K＝[k₁,k₂,k₃]^T；

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